富水巖溶地層隧道仰拱隆起原因分析及控制研究*

田 嬌，茍德明，曾曉輝，張學(xué)民，歐雪峰，歐陽淋旭

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

近年來隨著工程技術(shù)的不斷革新，我國隧道建設(shè)逐漸向斷面更大、埋深更深、地應(yīng)力更高、巖溶更為發(fā)育、地質(zhì)條件更為復(fù)雜等條件下進(jìn)行修建，給隧道建設(shè)帶來了更大難度，隨之而來也造成了更多的工程病害，如拱頂脫空、襯砌開裂、隧道滲漏水以及仰拱隆起等。其中仰拱隆起[1]會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)受力模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致出現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)開裂、滲漏水等問題，危及隧道自身結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)底部填充開裂會(huì)造成路面平順度降低，進(jìn)而影響行車安全。由于高速公路行車速度較高，對仰拱底鼓的控制有著更嚴(yán)格的要求。

相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，如萬正等[2]采用現(xiàn)場實(shí)測以及數(shù)值模擬研究了富水煤系地層中仰拱隆起問題，并采取了具體的整治措施；黃華等[3]采用理論分析及數(shù)值模擬研究了隧底荷載與仰拱變形之間的關(guān)系，并提出了相應(yīng)的解決措施；汪洋等[4]通過研究某隧道的仰拱破壞過程，推導(dǎo)出了隧道底鼓的具體計(jì)算式；杜明慶等[5]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了不同加載方式下仰拱可能出現(xiàn)的3種破壞類型，為不同地質(zhì)荷載下仰拱薄弱點(diǎn)提供理論依據(jù)；Gesell M[6]，Barla等[7]采用模型試驗(yàn)對仰拱底鼓的原因進(jìn)行了分析和預(yù)測；鐘祖良等[8]采用現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)勘察研究了某隧道仰拱底鼓發(fā)生原因，并推導(dǎo)出不同因素下引起底鼓的具體表達(dá)式。上述調(diào)查研究為仰拱的病害治理提供了大量的研究資料，但是隧道穿越富水巖溶地層出現(xiàn)的仰拱隆起原因復(fù)雜多變，與地質(zhì)環(huán)境、施工工藝、圍巖狀態(tài)以及水害巖溶等諸多因素有關(guān)，而目前對于這種地質(zhì)情況下病害治理的資料較少，且大都僅涉及施工治理設(shè)計(jì)，并未進(jìn)一步研究治理后仰拱在長期運(yùn)營荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及水壓變化。

因此，本文依托貴州DJ隧道仰拱隆起的病害問題，進(jìn)行病害原因調(diào)查分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的處置措施，并對處置后的仰拱受力及隧道外側(cè)水壓進(jìn)行長期監(jiān)控，以驗(yàn)證處置措施的有效性，以期為相關(guān)富水巖溶地層中隧道修建提供一定參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

貴州DJ隧道地處貴州高原東北部的武陵山山脈向大婁山山脈過渡的斜坡地帶。DJ隧道為分離式特長隧道，隧道進(jìn)口端測設(shè)線間距約20m，出口端測設(shè)線間距約33m。左幅隧道起訖樁號為ZK6+760—ZK12+265，長5 505m，最大埋深約534m。右幅隧道起訖樁號為YK6+755—YK12+180，長5 425m，最大埋深約537m。

其中ZK9+600—ZK10+650段位于石朝向斜核部向兩翼過渡地段，水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，洞身圍巖主要為二疊系棲霞組灰?guī)r夾泥巖、鈣質(zhì)泥巖，隱伏巖溶可能性很大，若遇富集地下水、巖溶溶洞水、基巖裂隙水、松散孔隙水等影響，開挖后極易導(dǎo)致突水或突泥。加之隧道正上方210m處存在暗河，巖溶強(qiáng)發(fā)育，地下水易沿基巖節(jié)理、裂隙面下滲至洞身段落形成線狀、涌流狀涌水，致使隧道外側(cè)存在較大的水頭壓力，存在承壓水，隧道左線地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道左線地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of left tunnel line

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

該隧道采用復(fù)合式襯砌，隧道全段經(jīng)歷多種地質(zhì)構(gòu)造，且圍巖從Ⅲ級到Ⅴ級分布不等，因此襯砌設(shè)計(jì)類型也有較大差異，選取其中最危險(xiǎn)段進(jìn)行分析。ZK9+896—ZK9+968段位于石朝向斜正下方，地質(zhì)條件復(fù)雜，存在溶洞、裂隙，地下水發(fā)育，以該段進(jìn)行分析，襯砌斷面如圖2所示。

圖2 襯砌斷面Fig.2 Lining section

1)初期支護(hù) 采用φ42×4注漿鋼花管，L=4.5m，間距為50cm×120cm(縱×環(huán))，按梅花形進(jìn)行布設(shè)；20cm×20cm(雙層)布設(shè)φ6.5鋼筋網(wǎng)；全環(huán)采用I20b型鋼拱架，間距50cm；最后噴射28cm厚C20噴射混凝土。

2)二次襯砌 安裝350g/m2無紡?fù)凉げ家约胺浪澹徊荚O(shè)HRB400雙層鋼筋網(wǎng)；澆筑55cm厚C30鋼筋混凝土。

2 仰拱病害情況及原因分析

2.1 仰拱病害情況

受連續(xù)大雨影響，DJ隧道進(jìn)口左幅ZK9+896—ZK9+955仰拱出現(xiàn)隆起、開裂，仰拱填充層中部出現(xiàn)底鼓，縱向裂縫清晰可見(見圖3a)，并不斷向外擴(kuò)展；仰拱出現(xiàn)不同程度的隆起，中心排水管被擠壓上抬，二襯鋼筋嚴(yán)重彎曲變形，最嚴(yán)重地段仰拱隆起高度達(dá)40～50mm；同時(shí)隧道外側(cè)基巖中處持續(xù)涌水并存在較大水壓，伴隨著突水突泥、大量泥砂經(jīng)裹挾涌出，圍巖較為破碎，仰拱病害情況如圖3所示。

圖3 ZK9+896—ZK9+955仰拱病害Fig.3 ZK9+896—ZK9+955 invert arch diseases

2.2 仰拱隆起破壞原因分析

在仰拱隆起破壞后，第一時(shí)間采用地質(zhì)雷達(dá)對其進(jìn)行探測，雷達(dá)灰度如圖4所示。由圖4可知，隧道襯砌外側(cè)5～8m處圍巖存在不密實(shí)，推測ZK9+910—ZK9+925左邊墻輪廓線外5～8m處存在巖溶發(fā)育區(qū)，局部有溶洞發(fā)育，地下水發(fā)育。

圖4 雷達(dá)灰度Fig.4 Radar grayscale image

仰拱隆起破壞往往并非由單一因素引起，如圍巖強(qiáng)度及裂隙發(fā)育程度、施工工藝、地下水發(fā)育程度以及地應(yīng)力高低等都會(huì)造成仰拱出現(xiàn)問題，因此必須對其進(jìn)行綜合分析處理，結(jié)合雷達(dá)探測、工程地質(zhì)資料以及現(xiàn)場施工情況原因分析如下。

1)由雷達(dá)探測可知，隧道周圍圍巖存在較大溶洞，圍巖較為破碎，巖體完整性較差，抵抗變形的能力亦不足，將會(huì)導(dǎo)致襯砌承受較大的外部荷載。

2)隧道正上方210m處存在暗河，經(jīng)過地下水長期侵蝕作用，形成貫通涌水通道，隧道襯砌外側(cè)地下水發(fā)育，存在較大水壓。在現(xiàn)場將注漿設(shè)備關(guān)閉，水壓反灌壓力達(dá)1.6MPa，說明襯砌承受較大外側(cè)水壓作用。

3)仰拱外側(cè)為泥巖，自身強(qiáng)度較低，經(jīng)過長時(shí)間地下水浸泡，圍巖出現(xiàn)軟化，出現(xiàn)塑性變形，圍巖力學(xué)參數(shù)有所降低，抵抗外界變形能力差。

4)在修筑仰拱時(shí)曾對仰拱外側(cè)圍巖進(jìn)行注漿處理，堵塞了原來的水流路徑，地下水淤積于隧底無法排出，在接連的大雨下，襯砌外部水壓不斷上升，最終導(dǎo)致仰拱底鼓開裂。

3 仰拱整治措施及效果

3.1 仰拱整治措施

常見的隧底仰拱處理方法是對隧底進(jìn)行注漿加固、打設(shè)鎖腳錨管、進(jìn)行襯砌外側(cè)引排水設(shè)計(jì)、仰拱拆換及加厚處理、鋪設(shè)型鋼對混凝土進(jìn)行加固等。由于本次地質(zhì)條件的復(fù)雜性，需依據(jù)本項(xiàng)目具體工程問題進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。引起此段仰拱破壞的主要原因是隧底水壓較大、圍巖遇水軟化，且溶洞裂隙較為發(fā)育，經(jīng)過多種方案的分析對比，綜合采用如下設(shè)計(jì)。

1)首先在隧道兩側(cè)邊墻施作φ76×5注漿鋼花管，鋼花管長9m，縱向排距150cm,注漿壓力1.5～2.0MPa，注漿采用水泥漿液，注漿后鋼管內(nèi)采用M30水泥砂漿填充，以提高鋼管剛度。

2)在仰拱底部施作φ76×5注漿鋼花管進(jìn)行基底加固，鋼花管長8m；橫向間距100cm，縱向排距150cm，呈梅花形布置。注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力1.5～2.0MPa。且鋼花管應(yīng)嵌入基巖3m，如圖5a所示，依靠基巖對仰拱進(jìn)行錨固，防止仰拱上浮，同時(shí)通過鋼管向仰拱底部圍巖進(jìn)行注漿處理，加固圍巖。

3)對仰拱進(jìn)行拆換，同時(shí)對仰拱二襯進(jìn)行加厚，由原來的50mm加厚至75mm。

4)在隧道右側(cè)增設(shè)40cm×30cm排水溝，左側(cè)增設(shè)30cm×50cm排水溝，同時(shí)加寬中心水溝尺寸為120cm×200cm，并在排水溝內(nèi)每隔50m鉆取泄水孔，當(dāng)仰拱外側(cè)水流較大時(shí)能通過泄水孔導(dǎo)入中心排水溝中。

5)同時(shí)增設(shè)排水系統(tǒng)，如圖5b所示，為減小隧道外側(cè)水壓，在ZK9+910處設(shè)置U形橫洞沉淀池，并與中心排水溝相連，便于及時(shí)將中心溝內(nèi)的涌水及流砂排出，減少仰拱所受水壓。

圖5 隧道整治處理Fig.5 Tunnel treatment

6)施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測，要求測點(diǎn)布置斷面間距≤5m，局部變形嚴(yán)重地段根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加密，每天監(jiān)測頻率≥3次，以便隨時(shí)掌握隧道襯砌變形情況。

3.2 仰拱整治效果

經(jīng)采用“注漿鋼花管+仰拱拆換+排水溝加寬+設(shè)置泄水孔+增設(shè)排水系統(tǒng)”方案治理后，仰拱外壁較為干燥，且中心排水溝處涌水明顯減少，說明水流經(jīng)排水系統(tǒng)排出隧道外；仰拱無隆起上抬現(xiàn)象，填充層及仰拱處并無形成裂縫，說明仰拱治理效果較好。同時(shí)，為了密切關(guān)注該區(qū)段的長期受力變形情況，在ZK9+910處的初支及二襯之間安裝土壓力盒以及鋼筋應(yīng)變計(jì)監(jiān)測仰拱受力情況，在隧道初支外側(cè)布設(shè)水壓計(jì)進(jìn)行水壓監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖6所示，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖6 ZK9+910斷面測點(diǎn)布置Fig.6 Layout of ZK9+910 section measuring points

圖7 ZK9+910斷面內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Internal force monitoring results of ZK9+910 Section

該隧道于10月28日通車，由圖7可知，當(dāng)仰拱二襯施作后，由于混凝土硬化導(dǎo)致測點(diǎn)數(shù)據(jù)在初期發(fā)生較大變化，而后逐漸處于平緩增長。隧道處于運(yùn)營階段后，在行車荷載的作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力亦無明顯變化，處于穩(wěn)定階段，鋼筋最大拉應(yīng)力為15MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360MPa；接觸應(yīng)力隨著初支和二襯的逐漸密貼而持續(xù)增長，但數(shù)值總體較小，在運(yùn)營階段下逐漸趨于穩(wěn)定，且最大應(yīng)力僅為0.12MPa；水壓計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示隧道外側(cè)水壓幾乎為0，最大值為0.012MPa，相較于所測水壓值有明顯降低，說明本次注漿效果良好，襯砌外側(cè)無水流滲流作用，有利于保護(hù)仰拱襯砌結(jié)構(gòu)，提高其承載能力，說明本次整治方案合理，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

1)從地質(zhì)雷達(dá)探測、工程地質(zhì)資料以及現(xiàn)場施工情況可以了解到，隧底水壓較大、圍巖遇水軟化以及溶洞裂隙較為發(fā)育是隧道穿越富水巖溶地層的主要影響原因。

2)通過現(xiàn)場監(jiān)測表明，采用“注漿鋼花管+仰拱拆換+排水溝加寬+設(shè)置泄水孔+增設(shè)排水系統(tǒng)”的整治措施能有效治理富水巖溶地層隧道仰拱隆起問題。

3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，仰拱鋼筋混凝土受力較小，處于安全狀態(tài)；隧道外側(cè)無水壓，注漿效果及排水措施效果較好，且在行車荷載作用下亦無較大變化，有利于隧道長期健康運(yùn)營。